5.1 Propósito del STP

5.1.1 Redundancia en redes conmutadas de capa 2

En este tema se tratan las causas de los bucles en una red de capa 2 y se explica brevemente cómo funciona el protocolo de árbol de expansión. La redundancia es una parte importante del diseño jerárquico para eliminar puntos únicos de falla y prevenir la interrupción de los servicios de red para los usuarios. Las redes redundantes requieren la adición de rutas físicas, pero la redundancia lógica también debe formar parte del diseño. Tener rutas físicas alternativas para que los datos atraviesen la red permite que los usuarios accedan a los recursos de red, a pesar de las interrupciones de la ruta. Sin embargo, las rutas redundantes en una red Ethernet conmutada pueden causar bucles físicos y lógicos en la capa 2.

Las LAN Ethernet requieren una topología sin bucles con una única ruta entre dos dispositivos. Un bucle en una LAN Ethernet puede provocar una propagación continua de tramas Ethernet hasta que un enlace se interrumpe y interrumpa el bucle.

5.1.2 Protocolo de árbol de extensión

El protocolo de árbol de expansión (STP) es un protocolo de red de prevención de bucles que permite redundancia mientras crea una topología de capa 2 sin bucles. IEEE 802.1D es el estándar original IEEE MAC Bridging para STP.

Haga clic en Reproducir en la figura para ver una animación de STP en acción.

STP Normal Operation

5.1.3 Recalcular STP

Haga clic en Reproducir en la siguiente figura para ver una animación del recálculo de STP cuando ocurre una falla.

STP Compensates for Network Failure

5.1.4 Problemas con los vínculos de switch redundantes

La redundancia de ruta proporciona múltiples servicios de red al eliminar la posibilidad de un solo punto de falla. Cuando existen múltiples rutas entre dos dispositivos en una red Ethernet, y no hay implementación de árbol de expansión en los conmutadores, se produce un bucle de capa 2. Un bucle de capa 2 puede provocar inestabilidad en la tabla de direcciones MAC, saturación de enlaces y alta utilización de CPU en conmutadores y dispositivos finales, lo que hace que la red se vuelva inutilizable.

A diferencia de los protocolos de Capa 3, IPv4 e IPv6, Layer 2 Ethernet no incluye un mecanismo para reconocer y eliminar tramas de bucle sin fin. Tanto IPv4 como IPv6 incluyen un mecanismo que limita la cantidad de veces que un dispositivo de red de Capa 3 puede retransmitir un paquete. Un router disminuirá el TTL (Tiempo de vida) en cada paquete IPv4 y el campo Límite de saltos en cada paquete IPv6. Cuando estos campos se reducen a 0, un router dejará caer el paquete. Los switches Ethernet y Ethernet no tienen un mecanismo comparable para limitar el número de veces que un switches retransmite una trama de Capa 2. STP fue desarrollado específicamente como un mecanismo de prevención de bucles para Ethernet de Capa 2.

 

5.1.5 Bucles de la capa 2

Sin STP habilitado, se pueden formar bucles de capa 2, lo que hace que las tramas de difusión, multidifusión y unidifusión desconocidos se reproduzcan sin fin. Esto puede derribar una red en un período de tiempo muy corto, a veces en pocos segundos. Por ejemplo, las tramas de difusión, como una solicitud ARP, se reenvían a todos los puertos del conmutador, excepto el puerto de entrada original. Esto asegura que todos los dispositivos en un dominio de difusión reciban la trama. Si hay más de una ruta para reenviar la trama, se puede formar un bucle infinito. Cuando se produce un bucle, la tabla de direcciones MAC en un conmutador cambiará constantemente con las actualizaciones de las tramas de difusión, lo que resulta en la inestabilidad de la base de datos MAC. Esto puede causar una alta utilización de la CPU, lo que hace que el switch no pueda reenviar tramas.

Las tramas de difusión no son el único tipo de tramas que son afectadas por los bucles. Si se envían tramas de unidifusión desconocidas a una red con bucles, se puede producir la llegada de tramas duplicadas al dispositivo de destino. Una trama de unidifusión desconocida se produce cuando el switch no tiene la dirección MAC de destino en la tabla de direcciones MAC y debe reenviar la trama a todos los puertos, excepto el puerto de ingreso.

Haga clic en Reproducir en la figura para ver la animación. Cuando la animación se detiene, lea el texto que describe la acción. La animación continuará después de una pausa breve.

5.1.6 Tormenta de difusión (Broadcast Storm)

Una tormenta de difusión es un número anormalmente alto de emisiones que abruman la red durante un período específico de tiempo. Las tormentas de difusión pueden deshabilitar una red en cuestión de segundos al abrumar los conmutadores y los dispositivos finales. Las tormentas de difusión pueden deberse a un problema de hardware como una NIC defectuosa o a un bucle de capa 2 en la red.

Las emisiones de capa 2 en una red, como las solicitudes ARP, son muy comunes. Es probable que un bucle de capa 2 tenga consecuencias inmediatas y de desactivación en la red. Las multidifusión de capa 2 normalmente se reenvían de la misma manera que una difusión por el conmutador. Por lo tanto, aunque los paquetes IPv6 nunca se reenvían como una difusión de Capa 2, ICMPv6 Neighbor Discovery utiliza multidifusión de Capa 2.

Haga clic en Reproducir en la figura para ver una animación que muestra los efectos cada vez más adversos de un bucle a medida que los fotogramas de difusión y de unidifusión desconocidos continúan propagándose indefinidamente en una tormenta de difusión.

Un host atrapado en un bucle de capa 2 no está accesible para otros hosts en la red. Además, debido a los constantes cambios en su tabla de direcciones MAC, el conmutador no sabe desde qué puerto reenviar las tramas de unidifusión. En la animación anterior, los conmutadores tendrán los puertos incorrectos listados para PC1. Cualquier trama de unidifusión con destino a la PC1 se repite en bucle por la red, como lo hacen las tramas de difusión. Cuando se repiten en bucle cada vez más tramas, se termina creando una tormenta de difusión.
Para evitar que ocurran estos problemas en una red redundante, se debe habilitar algún tipo de árbol de expansión en los switches. De manera predeterminada, el árbol de expansión está habilitado en los switches Cisco para prevenir que ocurran bucles en la capa 2.

 

5.1.7 El algoritmo de árbol de expansión

STP se basa en un algoritmo inventado por Radia Perlman mientras trabajaba para Digital Equipment Corporation, y publicado en el artículo de 1985 "Un algoritmo para la computación distribuida de un árbol de expansión en una LAN extendida". Su algoritmo de árbol de expansión (STA) crea una topología sin bucles al seleccionar un único puente raíz donde todos los demás conmutadores determinan una única ruta de menor costo.
Sin el protocolo de prevención de bucles, se producirían bucles que harían inoperable una red de conmutadores redundantes.

Haga clic en cada botón para obtener una explicación de cómo STA crea una topología sin bucles.

Topología de la situación

Este escenario STA utiliza una LAN Ethernet con conexiones redundantes entre varios conmutadores.

 

Seleccionar el Root Bridge

 

El algoritmo de árbol de expansión comienza seleccionando un único puente raíz. La figura muestra que el switch S1 se ha seleccionado como puente raíz. En esta topología, todos los enlaces tienen el mismo costo (mismo ancho de banda). Cada switch determinará una única ruta de menor costo desde sí mismo hasta el puente raíz.

Nota: STA y STP se refieren a conmutadores como puentes . Esto se debe a que en los primeros días de Ethernet, los switches se denominaban puentes.

Bloquear rutas redundantes

STP asegura que solo haya una ruta lógica entre todos los destinos en la red al bloquear intencionalmente las rutas redundantes que podrían causar un bucle, como se muestra en la figura. Cuando se bloquea un puerto, se impide que los datos del usuario entren o salgan de ese puerto. El bloqueo de las rutas redundantes es fundamental para evitar bucles en la red.

 

Topología sin bucle

Un puerto bloqueado tiene el efecto de convertir ese enlace en un vínculo no reenvío entre los dos switches, como se muestra en la figura. Observe que esto crea una topología en la que cada conmutador tiene una única ruta al puente raíz, similar a las ramas de un árbol que se conectan a la raíz del árbol.

 

Fallos de enlacecausan recálculo

 

Las rutas físicas aún existen para proporcionar la redundancia, pero las mismas se deshabilitan para evitar que se generen bucles. Si alguna vez la ruta es necesaria para compensar la falla de un cable de red o de un switch, STP vuelve a calcular las rutas y desbloquea los puertos necesarios para permitir que la ruta redundante se active. Los recálculos STP también pueden ocurrir cada vez que se agrega un nuevo conmutador o un nuevo vínculo entre switches a la red.

La figura muestra un error de enlace entre los conmutadores S2 y S4 que hace que STP se vuelva a calcular. Observe que el vínculo anteriormente redundante entre S4 y S5 se está reenviando para compensar este error. Todavía hay solo una ruta entre cada switch y el puente raíz.

STP evita que ocurran bucles mediante la configuración de una ruta sin bucles a través de la red, con puertos “en estado de bloqueo” ubicados estratégicamente. Los switches que ejecutan STP pueden compensar las fallas mediante el desbloqueo dinámico de los puertos bloqueados anteriormente y el permiso para que el tráfico se transmita por las rutas alternativas.

 

5.1.8 Vídeo - Observar la operación STP

Haga clic en Play (Reproducir) para ver una demostración del protocolo de árbol de expansión.

5.1.9 Packet Tracer - Investigar la prevención de bucles STP